ZYNQ DDS产生载波FFT变换

环境：vivado2017.4，快速傅里叶变换V9.0 IP核

一，介绍：Xilinx FFT IP核是一种计算DFT的有效方式。

特点：前向变换（FFT）和反向变换（IFFT）在复数空间，并且可以在运行的同时进行选择配置

·变换点数范围：N=2^m，m=3~16

·数据精度范围：bx=8~34

·相位精度范围：bw=8~34

·算术处理方式：不放缩（全精度）定点；放缩定点；块浮点

·输入数据定点数类型和浮点数类型

·舍入或者截尾

·数据和相位存储:块RAM和分布式RAM

·运行时可配置变换点数

·放缩定点时放缩方案在运行时可实时配置

·输出数据顺序：自然顺序和比特或字节反转顺序

·数字通信系统应用中插入CP选项

·四种传输方式：流水线基四突发型基二突发型简化基二突发型

·输入输出都由AXI4-Stream协议控制

·丰富的状态接口（eventsignals）

·可选择实时和非实时模式

·优化选项：复数乘法器模式；蝶形运算结构

·多通道同时进行变换运算：通道数范围1~12

二,DDS的配置

三，FFT ip核配置

四，FFT IP核端口介绍：

1，时钟通道（aclk aresetn aclken）

aclk：时钟信号

aclken（可选）：时钟使能信号，高电平有效

aresetn（可选）：复位信号，同步清除，优先级大于时钟使能信号，低电平有效，需持续两个时钟周期。

2，配置通道（s_axis_config_...）

AXI4-Stream协议中的握手信号s_axis_config_tready和s_axis_config_tvalid，配置信息s_axis_config_tdata信号

NFFT:传输点数，只有勾选了 Run Time Configurable Transform Length选项才可以在运行中配置变换点数，变换点数小于最大点数（在例化IP时选择），占5比特，并且填充0到8比特。

CP_LEN:插入CP的长度，只有在选择输出数据自然排序时勾选Cyclic Prefix Insertion选项时有效。占log2（最大点数）比特，并且填充0到8比特。注意，在变换点数可配置时，占log2（最大点数）比特中的高位log2（当前点数），低位填0.

FWD/INV：占1比特，1表示FFT，0表示IFFT。多通道时，低位到高位依次表示通道 0通道1……，无填充

SCALE＿SCH：放缩倍数，只有在选择放缩定点时有效，占比特数：基四和流水线结构下为2×ceil（NFFT/2）基二和简化基二结构下为2×NFFT 每两个比特表示突发型一级或流水线型两级（排序从最后到最先）的放缩倍数（00 01 10 11），注意当基四结构下点数不是4的整数倍时，最后一级只占一比特，即00 01。多通道时，低位到高位依次表示通道0通道1……，无填充，最后将整个配置通道数据填充到8比特整数倍。

3，输入数据通道（s_axis_data…）

AXI4-Stream协议中的握手信号s_axis_data_tready和s_axis_data_tvalid

S_axis_tlast:输入帧的最后一个数据时置高，表明帧结束

S_axis_tdata:输入数据,单个通道,低位实数并且填充到8比特,高位虚数并且填充到8比特;多通道时,从低到高位按照单通道数据格式依次排列通道0通道1...

输入数据方式：

输入数据长度定义：

4，输出数据通道（m_axis_data_.....）

(1)AXI4-Stream协议中的握手信号m_axis_data_tready和m_axis_data_tvalid

(2)m_axis_data_tlas：输出帧的最后一个数时置高，表明帧结束。

(3)m_axis_data_tdata:输出数据，同输入数据格式下相同。注意，在未放缩全精度（unscaled）算数模式下，输出数据位数不等于输入位数，bxk=bxn+log2（最大变换点数）+1。

(4)m_axis_data_tuser：从低到高。

(5)XK_INDEX: 只有勾选了XK_INDEX才有效，占位log2（最大变换点数）比特，用来指示帧中的某个数据。

(6)BLK_EXP：只有在选择block floating-point（块浮点）算术模式时才有效，用以指示运行时对数据的实际放缩倍数。一般占一个子节（这个地方文档上写的是bxk，明显不对）。多通道时，从低到高依次为通道1 通道2……

(7)OVFLO：只有选择放缩定点数或者单精度浮点数时有效。用来指示数据在释放时是否存在溢出。每通道占1比特位。多通道时，从低到高依次为通道1 通道2……不需要填充。只有在勾选了OVFLO时才有效.

最后将整个配置通道数据填充到8比特整数倍。

输出数据方式：

输出数据长度定义：

5,状态通道（m_axis_status_......）用来指示整个帧的状态信息；AXI4-Stream协议中的握手信号m_axis_status_tready和m_axis_status_tvalid。

m_axis_status_tdata：

BLK_EXP：只有在选择block floating-point（块浮点）算术模式时才有效，用以指示运行时对帧数据的放缩倍数。占5比特位，填充0到一个子节。多通道时，从低到高依次为通道1 通道2……

OVFLO：只有勾选了OVFLO并且选择放缩定点数或者单精度浮点数时有效。用来指示帧在释放时是否存在溢出。每通道占1比特位。多通道时，从低到高依次为通道1 通道2……不需要填充。

最后将整个配置通道数据填充到8比特整数倍。

6,事件信号（event signals）

event_ftrame_started：IP核开始处理新帧。

event_tlast_missing：当输入数据满一个帧时，s_axis_data_tlast却还是低电平时置高。这表明上流数据源和IP核的帧大小配置没有对齐，上流数据源的帧大小大于IP核。

event_tlast_unexpected：当输入数据没满一帧时，s_axis_data_tlast却是高电平时置高。这表明上流数据源和IP核的帧大小配置没有对齐，上流数据源的帧大小小于IP核。

event_fft_overflow：当选择放缩定点数模式或者单精度输入数据格式时，输出数据中存在溢出时，置高电平。

event_data_in_channel_halt： IP核需要数据但是输入通道不能提供数据时置高。在实时模式（Realtime）下，IP核继续处理（将前一个数据重复使用），这就产生了错误。在非实时模式下（Non-Realtime）模式下，IP核停止处理直到有新的数据输入。这样的话，帧并没有被破坏。

event_data_out_channel_halt：当IP核需要输出数据时但是输出通道的寄存器已满。这时，IP核停止处理，所有活动停止直到输出通道寄存器腾空。帧并没有被破坏。注意，此信号只在非实时模式下有效。

event_status_channel_halt:当IP核需要在Status通道写入数据时但通道寄存器已满。这时，IP核停止处理，所有活动停止直到输出通道寄存器腾空。帧并没有被破坏。注意，此信号只在非实时模式下有效。

五，verilog代码

`timescale 1ns / 1ps
module fft(
    input aclk,
    input aresetn,
    output [7:0] fft_real,
    output [7:0] fft_imag,
    output [17:0]data,
    output [15:0]dds_m_data_tdata,
    output [11:0]xk_index
    );

    wire [15:0] dds_m_data_tdata;
    wire dds_m_data_tvalid;
    wire dds_m_data_tlast;//未使用
    dds_compiler_0 dds_MHz (
        .aclk(aclk),
        .aresetn(aresetn),
        .m_axis_data_tdata(dds_m_data_tdata),
     //   .m_axis_data_tready(fft_s_data_tready),
        .m_axis_data_tvalid(dds_m_data_tvalid)
    );

    //----------------------FFT core-------------------
    wire [7:0] fft_s_config_tdata;//[0:0]FWD_INV_0
    wire fft_s_config_tready;
    wire fft_s_config_tvalid;

wire [7:0] fft_m_status_tdata;
wire fft_m_status_tvalid;

    wire [15:0] fft_m_data_tdata;
    wire fft_m_data_tlast;

    wire [23:0] fft_m_data_tuser;//[11:0]XK_INDEX
    wire fft_m_data_tvalid;

    wire fft_event_frame_started;
    wire fft_event_tlast_unexpected;
    wire fft_event_tlast_missing;
    wire fft_event_data_in_channel_halt;

    wire [11:0] xk_index;
    assign xk_index = fft_m_data_tuser[11:0];
    assign fft_s_config_tdata = 8'd1;//定义FFT模块配置信息(第0位为1表示用FFT，为0表示用IFFT)
    assign fft_s_config_tvalid = 1'd1;//FFT模块配置使能，从一开始就拉高，表示已经准备好要传入的配置数据了
    xfft_0 usr_fft(
        .aclk(aclk),//Rising-edge clock
        .aresetn(aresetn),//(低有效)Active-Low synchronous clear (optional, always take priority over aclken); A minimum aresetn active pulse of two cycles is required
        //S_AXIS_DATA
        .s_axis_data_tdata(dds_m_data_tdata),//IN Carries the unprocessed sample data: XN_RE and XN_IM
        .s_axis_data_tlast(dds_m_data_tlast),//IN Asserted by the external master on the last sample of the frame
       // .s_axis_data_tready(fft_s_data_tready),//OUT Used by the core to signal that it is ready to accept data
        .s_axis_data_tvalid(dds_m_data_tvalid),//IN Used by the external master to signal that it is able to provide data
        //S_AXIS_CONFIG
        .s_axis_config_tdata(fft_s_config_tdata),//IN Carries the configuration information
        .s_axis_config_tready(fft_s_config_tready),//OUT Asserted by the core to signal that it is ready to accept data
        .s_axis_config_tvalid(fft_s_config_tvalid),//IN Asserted by the external master to signal that it is able to provide data
        //M_AXIS_STATUS
        .m_axis_status_tdata(fft_m_status_tdata),
        .m_axis_status_tvalid(fft_m_status_tvalid),
        //M_AXIS_DATA
        .m_axis_data_tdata(fft_m_data_tdata),//OUT Carries the processed sample data XK_RE and XK_IM
        .m_axis_data_tlast(fft_m_data_tlast),//OUT Asserted by the core on the last sample of the frame
        .m_axis_data_tuser(fft_m_data_tuser),//OUT Carries additional per-sample information: XK_INDEX, OVFLO and BLK_EXP
        .m_axis_data_tvalid(fft_m_data_tvalid),//OUT Asserted by the core to signal that it is able to provide status data
        //EVENTS
        .event_frame_started(fft_event_frame_started),//Asserted when the core starts to process a new frame
        .event_tlast_unexpected(fft_event_tlast_unexpected),//Asserted when the core sees s_axis_data_tlast High on a data sample that is not the last one in a frame
        .event_tlast_missing(fft_event_tlast_missing),//Asserted when s_axis_data_tlast is Low on the last data sample of a frame
        .event_data_in_channel_halt(fft_event_data_in_channel_halt)//Asserted when the core requests data from the Data Input channel and none is available
    );

    //----------------将FFT/IFFT处理完的信号传出(虚部/实部分别传出)-------
    assign fft_real = fft_m_data_tdata[7:0];
    assign fft_imag = fft_m_data_tdata[15:8];
    assign data=fft_real*fft_real+fft_imag*fft_imag;
endmodule

testbench测试代码：

`timescale 1ns / 1ps
module fft_testbench( );
    reg aclk,aresetn;
    wire [7:0] fft_real,fft_imag;
    wire [15:0]dds_m_data_tdata;
    wire [11:0]xk_index;
    wire [17:0]data;
    fft fft_test(
        .aclk(aclk),
        .aresetn(aresetn),
        .fft_real(fft_real),
        .fft_imag(fft_imag),
        .dds_m_data_tdata(dds_m_data_tdata),
        .xk_index(xk_index),
        .data(data)
    );

    initial begin
        aclk = 0;
        aresetn = 0;//低有效
        #10 aresetn = 1;
    end
    always #5 aclk=~aclk;//时钟频率100MHz

六，仿真效果